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黄剑芳,笔名氢剑,在福建省福州第一中学任教高中化学,中学高级教师,教学基本功扎实,有较强的学科整合能力,上课、说课、课件比赛均获过全国一等奖,多篇论文在《化学教育》、《化学教学》等刊物上发表,近年专注三维技术应用于物质结构的教学研究。兴趣广泛,喜爱登山、徒步、摄影、旅游,知识面广,授课风趣幽默,待人真诚,深受广大师生欢迎。
本文微视频时长9分钟39秒,结合三维虚拟模型演绎三个问题:第一,从立方最密堆积出发,通过填隙获得NaCl晶胞,分析了NaCl晶胞基本结构;第二,举例说明晶体结构数据分析的意义;第三,用三维虚拟技术动态表达了从NaCl晶胞到CaC2晶胞的拉伸过程。演示直观形象,讲解简明扼要,富有启发性。
许多金属(例如铜等)的晶体结构可看着等径圆球进行立方最密堆积形成,这种结构称为面心立方。在立方最密堆积结构中,有两种空隙:四面体空隙和八面体空隙。四面体空隙由一个顶角原子与三个面心原子围成,空隙数目为8,是面心立方原子数4的2倍;而八面体空隙由六个面心原子围成,空隙数目为4,与面心立方原子数4相同。NaCl的结构可看着大的Cl-离子按立方最密堆积排列,小的Na 填在八面体的空隙之中。这就不难理解晶胞中Na 数目就是八面体的空隙数,即4个,而Cl-数目即为面心立方原子数目,亦为4个,每个NaCl晶胞拥有4个“NaCl”微粒。与Na 紧邻的Cl-有6个,与Cl-紧邻的Na 有6个,即NaCl晶体的配位数为6,而与每个Cl-最近邻的Cl-为12个(观看虚拟模型的演示)。NaCl型的结构具有广泛性,已知有400多种组成比为1∶1的化合物采用这种结构型式,例如,碱金属卤化物与氢化物,碱土金属氧化物和硫化物等。 这些化合物晶体的结构数据,对了解物质的结构和性质有着重要的意义。例如:现在比较通用的有效离子半径,就是根据实验测定的离子晶体中离子间的接触距离数据进行推导的。例如配位数为6的NaCl晶胞中阴阳离子是紧密接触的,但阴离子之间接触不良,各位观看演示,所以晶胞参数是阴、阳离子核间距的2倍,这样可以计算某些离子半径,例如,由NaH的晶胞参数(a=488pm)得知Na 与H-间的接触距离为244pm,已知Na 的半径为102pm(光学法测定),即可推知H-在NaH晶体中的半径为142pm。碱土金属氧化物MO主要由M2 和O2-之间的静电作用力结合而成。静电作用力和离子所带的电荷的乘积成正比,和离子间的接触距离成反比。对于碱土金属氧化物M2 和O2-都是2价化合物,离子所带电量相同,但M2 的半径由Mg2 →Ca2 →Sr2 →Ba2 依次增加,离子间的接触距离也依次增加。可以推断晶格能依次下降,离子键强度依次减弱,而熔点和硬度也将因而降低,实验结果完全符合这种推论。CaC2的结构可由NaCl结构出发,以Ca2 置换Na ,以C22-置换Cl-,即得到CaC2结构。C22-中C—C键长为120pm,C22-离子呈哑铃状,在三维空间键轴和Z轴平行,使晶胞沿Z轴方向被拉长,较X、Y轴方向为长,晶体的对称性降为四方晶系,晶胞参数为a=550pm,c=638pm(NaCl晶胞参数a=562.779pm)。许多化合物与CaC2的结构同晶型,如CaO2、KO2等,根据晶胞参数与原子坐标,可推算O22-中O—O键长为149pm,O2-中O—O键长为128pm。 视频中的三维虚拟模型是氢剑采用互动式三维虚拟技术制作的。在相关插件支持下,用鼠标即可对结构模型进行随心所欲的平移、滚动、旋转、缩放、变形、增添或删除原子及触动预先设置的动画等操作,制作成视频是让诸位初步感受这种技术的优点——当然有了三维虚拟模型完全可以按自己的解读操控。
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